Využití energie z fotovoltaické elektrárny tepelným čerpadlem

Kombinace fotovoltaických elektráren a tepelných čerpadel je v poslední době hojně skloňované téma.
Důvod je nasnadě – tepelná čerpadla odebírají tepelnou energii z obnovitelného zdroje (vzduch, země, voda, pro vlastní pohon k tomu ale spotřebovávají elektrickou energii. Fotovoltaická elektrárna zase z obnovitelného zdroje (sluneční záření) generuje právě elektřinu.

Trhem se tak šíří (a bohužel nejen z úst laické veřejnosti) mýtus, že kombinací těchto dvou systémů získáme vytápění (a teplou vodu) zdarma. Jaké jsou tedy reálné možnosti v podmínkách typické instalace v rodinném domě s tepelným čerpadlem vzduch-voda?

Tepelná čerpadla + fotovoltaika? Ano, ale …

Hlavní problém kombinace těchto 2 systémů je nesoulad výroby a spotřeby – jak v rámci denního, tak především ročního cyklu. Tepelné čerpadlo vzduch-voda běžně používáme k vytápění a ohřevu teplé vody – spotřeba tepelného čerpadla je tak nejvyšší v zimě, kdy zároveň ohřívá teplou vodu i vytápí při nízkých venkovních teplotách. V létě je pak výrazně nižší – tepelné čerpadlo jen ohřívá teplou vodu, navíc při výrazně vyšších venkovních teplotách (tzn. s výrazně nižším elektrickým příkonem).
FVE naopak generuje nejvíce elektrické energie v létě, na jaře a na podzim méně a v zimě, kdy bychom jí na pohon tepelného čerpadla potřebovali nejvíce, je její výroba obvykle zcela využita na vlastní spotřebu domu.

Konkrétní podíl pokrytí vlastní spotřeby (tzn. část z celkové roční spotřeby energie, kterou si sami vyrobíme i spotřebujeme a nemusíme ji proto odebrat ze sítě) vždy záleží na řadě parametrů jak systémů FVE a TČ, tak parametrů samotné budovy a bude se proto případ od případu lišit. Všeobecně lze pro běžnou instalaci v rodinném domě říct, že horní hranice maximálního pokrytí vlastní spotřeby z pohledu ekonomické smysluplnosti je okolo 70–80 %. Obvyklé rozmezí, ve kterém se tato hodnota pohybuje, je 30–70 %.

Nezbytným faktorem pro cílené využívání přebytků je ale ve všech případech zajistit reálnou spolupráci obou systémů.

To v praxi znamená:

• Oba systémy (FV a TČ) musí mít mezi sebou možnost komunikace, která je kompatibilní pro obě strany. 

Zjednodušeně řečeno musí mít oba systémy možnost si spolu „povídat“ a to jazykem, kterému oba rozumí.

• V rámci takového energetického ekosystému musí existovat nějaký „mozek“ a řídicí logika.  

 To může být zajištěno nadřazeným regulátorem (PLC), který zajišťuje tuto logiku a pomocí zmíněné komunikace vyčítá potřebné údaje a zasílá řídicí pokyny. Výhodou takového řešení je vyšší variabilita (logika se může více přizpůsobit konkrétním požadavkům dané instalace) a případné změny nastavení skrze jedno zařízení, nevýhodou je pak vyšší investiční náročnost.

Druhou možností je využití funkcí obsažených v regulacích jednotlivých systémů (FV a TČ). Výhodou takového řešení je nižší investice, nevýhodou může být limitované nastavení omezené funkcemi jednotlivých regulátorů a možnostmi vzájemné komunikace, která musí být velmi jednoduchá kvůli co nejvyšší univerzálnosti.
Faktem ale je, že při výběru vhodných výrobců/systémů jak na straně FV, tak i TČ, bývá v běžných rezidenčních instalacích takové řešení dostačující.

Jak lze energii z fotovoltaiky využít v systému tepelného čerpadla?

Ohřev teplé vody

Potřeba teplé vody je celoroční a během roku v podstatě neměnná, využití pro tento systém je proto nejvhodnější, jelikož (na rozdíl od vytápění) lze nejefektivněji zužitkovat přebytky výroby FV v létě, kdy jsou největší a nejčastější. Pro tento systém hraje i fakt, že tepelné čerpadlo samo o sobě z principu ohřívá teplou vodu pomocí zásobníkových ohřívačů, do kterých ji ukládá pro pozdější spotřebu.

Právě zásobník teplé vody tak slouží pro uložení přebytečné elektrické energie z FVE (přeměněné tepelným čerpadlem na energii tepelnou) k jejímu využití později.

Vytápění

Přebytky z FV lze na podzim a na jaře využít i k podpoře vytápění. Venkovní teploty v tomto období již padají na takovou úroveň, která si vyžaduje vytápění, zároveň v případě dostatečně dlouhých a slunečných dní výroba z FV i v tomto období může generovat přebytky. Ty lze proto tepelným čerpadlem využít i pro vytápění, nicméně pokud je nevyužíváme přímo, tzn. nevytápíme přesně v době nadbytečné výroby, je možnost jejich „uskladnění“ pro pozdější využití již výrazně komplikovanější než u ohřevu teplé vody. O tom, zda a v jaké míře to bude možné, rozhoduje několik faktorů, jejichž kombinace je případ od případu velmi specifická – z hlediska budovy samotné především její akumulační schopnosti (velké u těžkých staveb z cihel, betonu apod., malé naopak u dřevostaveb), z pohledu topné soustavy pak zda a jak velká je instalovaná akumulační nádoba, zda jsou v objektu instalovány radiátory nebo podlahové vytápění apod.
V zimě, jak již bylo napsáno, je výroba FV obvykle využita na přímou spotřebu v objektu či dobíjení baterií, pro využití tepelným čerpadlem jich většinou bývá minimum.

Chlazení

Potřeba chlazení je nejvyšší v létě, kdy je přebytků nejvíce, časově v rámci dne se navíc s nadbytečnou výrobou téměř přímo potkává. Renomovaní výrobci tepelných čerpadel typu vzduch-voda nabízejí modely, které kromě vytápění a ohřevu TV mají možnost přejít i do režimu chlazení (tzv. reverzní chod). Proto se chlazení takovým tepelným čerpadlem na první pohled může zdát jako logická a velmi snadná volba pro využití přebytků FV. Limity takového použití jsou ale u čerpadel vzduch-voda v teplovodní topné soustavě – radiátory jsou pro takové použití nevhodné (mají velmi malý chladicí výkon), podlahové vytápění využít lze, je však nutné zajistit prevenci poškození všech prvků topné soustavy (vhodné materiály) a zamezit kondenzaci vzdušné vlhkosti (buď řídicím systémem čerpadla s pomocí čidel v prostoru i podlaze anebo omezením teploty chladicí vody). V praxi se tak v současné době v rodinných domech takové řešení využívá spíše u novostaveb, kde lze vše potřebné vyřešit už ve fázi projektu.

Má tedy kombinace fotovoltaiky a tepelného čerpadla smysl?

Určitě ano, synergie mezi oběma systémy existuje, je ovšem potřeba mít od tohoto spojení reálná očekávání. Dále je nutné, aby v systému s tepelným čerpadlem bylo možné akumulovat tepelnou energii pro pozdější využití (zásobník teplé vody, akumulační nádrž vytápění, podlahové vytápění apod). V neposlední řadě je také velmi důležité zajistit vzájemnou komunikaci a spolupráci systému fotovoltaiky a tepelného čerpadla. Nemusí přitom jít nutně o investičně náročnější high-tech řešení skrze nadřazené PLC řídicí systémy, i relativně jednoduchá a investičně mnohem méně náročná řešení (např. skrze standard SG Ready) umí být funkční a reálně zvyšovat procento vlastního využití elektřiny z FVE. Při pouhé instalaci těchto systémů „vedle sebe“ v jednom objektu sice také dochází k vlastnímu využití FV v systému TČ, děje se tak ale jen při současném přebytku z FV a spotřebě TČ v reálném čase, v podstatě tedy spíše dílem náhody, nikoliv cíleně. Procento využití přebytků je tak v takovém případě logicky nižší než u uceleného řešení.